В декабре 1917 года был избран членом Учредительного собрания по нижегородскому округу. Участия в работе Собрания не принимал.

В январе 1921 года митрополит Сергий был арестован и несколько месяцев находился в Бутырской тюрьме. На Пасху был выпущен на свободу. Известно, что за него поручился лишенный сана архиепископ Владимир (Путята). После заседания Синода, на котором Путяте в восстановлении сана было отказано, митрополита Сергия выслали в Нижний Новгород.

16 июня 1922 года митрополит Сергий, совместно с Нижегородским архиепископом Евдокимом (Мещерский) и Костромским архиепископом Серафимом (Мещеряковым), публично признали обновленческое ВЦУ единственной канонической церковной властью в так называемом Меморандуме трех («Воззвании»). Последнее гласило: «Мы, Сергий, Митрополит Владимирский и Шуйский, Евдоким, Архиепископ Нижегородский и Арзамасский, и Серафим, Архиепископ Костромской и Галичский, рассмотрев платформу Временного Церковного Управления и каноническую законность Управления, заявляем, что целиком разделяем мероприятия Временного Церковного Управления, считаем его единственной, канонически законной верховной церковной властью и все распоряжения, исходящие от него, считаем вполне законными и обязательными. Мы призываем последовать нашему примеру всех истинных пастырей и верующих сынов церкви, как вверенных нам, так и других епархий. 16-го июня 1922 года».

Был членом обновленческого Высшего церковного управления.

23 октября 1922 года митрополит Сергий (Страгородский) заявил о прекращении церковного общения с деятелями «новой демократической церкви» и покинул созданное ими Высшее церковное управление.

27 августа 1923 года он принес покаяние. Чин покаяния, в отличие от такового, принесенного большинством прочих епископов, проходил публично, за литургией в день Успения в Донском монастыре. Принят по покаянии Святейшим патриархом Тихоном в лоно Патриаршей Церкви.

После покаяния и возвращения в Патриаршую церковь Сергий некоторое время продолжал жить в Москве. Он общался с членами Синода, московским духовенством, по просьбе которого стал выезжать на службы.

С 18 марта 1924 года о. Сергий становится митрополитом Нижегородским.

После того как 10 декабря 1925 года был арестован Патриарший местоблюститель митрополит Петр (Полянский), де-факто стал во главе Патриархии как заместитель Патриаршего местоблюстителя. Предчувствуя свой арест, митрополит Петр 23 ноября (6 декабря) 1925 года составил завещательное распоряжение, в котором говорил: «…в случае невозможности по каким-либо обстоятельствам отправлять Мне обязанности Патриаршего местоблюстителя временно поручаю исполнение таковых обязанностей высокопреосвященнейшему Сергию, митрополиту Нижегородскому. <…>

Возношение за богослужением Моего имени, как Патриаршего Местоблюстителя, остается обязательным».

14 декабря 1925 года владыка Сергий сообщил из Нижнего Новгорода викарию Московской епархии епископу Клинскому Гавриилу (Красновскому) о своем вступлении в исполнение обязанностей Патриаршего местоблюстителя и просил известить об этом всех архиереев в Москве.

Владыка поддержал архиепископа Илариона (Троицкого), находившегося на Соловках, выступившего с инициативой избрания патриарха путем сбора подписей архиереев, ввиду невозможности созвать Собор. Кандидатом на патриарший престол архиепископ Иларион предложил митрополита Кирилла (Смирнова), срок ссылки которого истекал в ближайшее время. Практическим осуществлением выборов руководил архиепископ Рыльский Павлин (Крошечкин) со своими помощниками – иеромонахом Таврионом (Батозским) и мирянами отцом и сыном Кувшиновыми. За короткое время они объездили места ссылок архиереев, собрав 72 подписи.

В ноябре 1926 года митрополит Сергий был вновь арестован по обвинению в связях с эмиграцией и в подготовке проведения нелегальных выборов патриарха. Арест использовался ОГПУ как средство оказания давления на митрополита Сергия, дабы понудить его к публикации обращения к Церкви в нужной для властей редакции. Обязанности заместителя Местоблюстителя должны были перейти к митрополиту Иосифу (Петровых), но ввиду невозможности сего, согласно завещанию митрополита Иосифа, были восприняты архиепископом Угличским Серафимом (Самойловичем).

27 марта 1927 года свт. Сергий снова вступил в управление Патриаршей церковью на правах Заместителя Патриаршего местоблюстителя. Результатом ареста и дальнейшего давления на него и на Патриаршую церковь, которая в то время с точки зрения «советского права» находилась «на нелегальном положении», было издание документа, известного как Декларация митрополита Сергия, опубликованная 16/29 июля 1927 года, в которой отмечался факт ожесточенной вредительской и диверсионной деятельности «наших зарубежных врагов», в связи с чем особо важно «теперь показать, что мы, церковные деятели, не с врагами нашего Советского государства и не с безумными орудиями их интриг, а с нашим народом и Правительством».

Послание оказалось ценой, которую заплатил митрополит Сергий за официальную регистрацию его в качестве заместителя Патриаршего местоблюстителя и Временного при нем Патриашего Священного синода, полученную двумя месяцами ранее: «:.. в мае текущего года, по моему приглашению и с разрешения власти, организовался временный при заместителе патриарший Священный синод в составе нижеподписавшихся (отсутствуют преосвященный Новгородский Митрополит Арсений, еще не прибывший, и Костромской архиепископ Севастиан, по болезни). Ходатайство наше о разрешении Синоду начать деятельность по управлению Православной Всероссийской Церковью увенчалось успехом. <…> Выразим всенародно нашу благодарность к Советскому правительству за такое внимание к духовным нуждам православного населения, а вместе с тем заверим Правительство, что мы не употребим во зло оказанного нам доверия».

Первоначальная реакция на Послание в среде Церкви (в СССР) не была резко критической: так, авторы Послания Соловецких епископов от 14 (27) сентября 1927 года, не находя возможность «принять и одобрить послания в его целом», по существу, выдвигают те же принципы взаимоотношения Церкви с государством.

Профессор Иван Андреевский (Андреев) (РПЦЗ) о первых одиннадцати месяцах (до его ареста в ноябре 1926 г.) управления митрополита Сергия Патриаршей Церковью писал, что строй церковного управления по своему существу продолжал быть вполне каноническим, ибо преемство власти делалось законным по согласию всех епископов и законность действий первого из них зиждилась на том, что он «ничего не творил без разсуждения всех» и говорил о том контрасте, которым явился modus operandi митрополита Сергия по выходе из заключения, который Андреев однозначно, вслед за протоиереем Михаилом Польским, квалифицировал как «диктатуру первого епископа».